Fabricación de circuitos integrados para niños
Datos para niños Procesos defabricación de semiconductores |
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La fabricación de circuitos integrados es el proceso con el que se crean los circuitos integrados. Estos pequeños cerebros electrónicos están hoy en día en casi todos los aparatos que usamos, desde tu teléfono hasta la computadora. Es un proceso muy complejo que tiene muchas etapas. Durante estas etapas, los circuitos se forman sobre una lámina delgada llamada oblea, hecha de materiales especiales llamados semiconductores. El material más usado es el silicio, pero a veces se usan otros como el arseniuro de galio para cosas muy específicas.
Los circuitos integrados pueden ser de dos tipos: analógicos (que manejan señales continuas, como el volumen de la música) o digitales (que manejan información en forma de unos y ceros, como los datos de una computadora).
Contenido
¿Cómo se fabrican los circuitos integrados?
Hoy en día, la fabricación de circuitos integrados a gran escala usa una técnica llamada VLSI, que significa "Integración en escala muy grande". Esto quiere decir que se pueden poner muchísimos componentes en un espacio muy pequeño. El material principal para esto es el silicio. Recientemente, se están usando nuevas tecnologías que combinan silicio y germanio o silicio "estirado", lo que hace que el silicio siga siendo muy importante en la industria de la microelectrónica.
El silicio es un material increíble porque se puede purificar mucho y hacer crecer cristales perfectos. Además, tiene propiedades eléctricas muy buenas para crear componentes que controlan la electricidad. Es fácil de oxidar para formar un excelente aislante llamado dióxido de silicio (SiO2). Este óxido es útil para construir condensadores y transistores especiales llamados MOSFET. También sirve como una capa protectora para que no entren impurezas no deseadas al silicio puro. Gracias a esta propiedad, las características eléctricas del silicio se pueden cambiar fácilmente en áreas específicas. Así, se pueden construir diferentes componentes en la misma pieza de material. Luego, estos componentes se conectan con capas de metal, como si fueran pequeños caminos, para formar un circuito integrado completo.
Pasos clave en la fabricación de un circuito integrado
La fabricación de un circuito integrado implica muchos pasos que se repiten varias veces, combinándose de diferentes maneras y bajo distintas condiciones.
Preparación de la oblea
Todo comienza con el silicio. Se usa silicio de muy alta pureza, que tiene la forma de un cilindro sólido de color gris. Este cilindro se corta en láminas muy delgadas y redondas llamadas obleas.
Oxidación
Este paso es como "oxidar" el silicio de forma controlada. Se hace reaccionar el silicio con oxígeno para formar dióxido de silicio (SiO2). Para que esto ocurra más rápido, se usan hornos muy limpios y a muy alta temperatura. El oxígeno se introduce como un gas puro o como vapor de agua. La oxidación con vapor es más rápida, pero la oxidación con gas produce mejores propiedades eléctricas. Esta capa de dióxido de silicio es delgada, transparente y muy brillante. Si miras una oblea oxidada bajo luz blanca, verás diferentes colores, y el color te puede decir qué tan gruesa es la capa de óxido.
Difusión
La difusión es un proceso donde los átomos se mueven de un lugar con mucha concentración a uno con poca, a través del cristal de silicio. En la fabricación, se usa para introducir átomos de impurezas en el silicio. Esto cambia la forma en que el silicio conduce la electricidad. Para acelerar este proceso, se calienta el silicio a temperaturas muy altas (entre 1000 y 1200 °C). Las impurezas más comunes son el boro, el fósforo y el arsénico. Si se añade mucha impureza, la capa también puede usarse como un conductor.
Implantación de iones
Este es otro método para añadir impurezas al silicio. Un aparato llamado implantador de iones crea iones (átomos con carga eléctrica) de la impureza deseada. Luego, los acelera con un campo eléctrico y los dispara contra la superficie del silicio. La cantidad de iones que se implantan se puede controlar con mucha precisión. Este proceso es muy útil cuando se necesita un control exacto de cómo se distribuyen las impurezas en el dispositivo.
Deposición por medio de vapor químico
En este proceso, se hacen reaccionar gases o vapores para que formen una capa sólida sobre la oblea. Las propiedades de esta capa de óxido no son tan buenas como las del óxido formado por oxidación, pero es suficiente para que actúe como aislante térmico. La ventaja es que esta capa se deposita muy rápido y a una temperatura más baja (menos de 500 °C).
Metalización
El objetivo de la metalización es conectar los diferentes componentes (como transistores y condensadores) para formar el circuito integrado completo. Esto se logra depositando una capa de metal sobre la superficie del silicio. El grosor de esta capa de metal se puede controlar, y generalmente se hace en uno o dos minutos.
Fotolitografía
Esta técnica es como dibujar los patrones del circuito en la oblea. Primero, la oblea se cubre con una capa sensible a la luz llamada sustancia fotoendurecible. Luego, se usa una placa con el diseño del circuito (como una plantilla) para exponer selectivamente la capa sensible a la luz ultravioleta. Las áreas que no se exponen se ablandan y se pueden quitar con un químico. Así, se crean patrones muy finos y precisos en la superficie. Esta capa sensible a la luz protege los materiales de abajo de otros químicos. Este paso es muy importante y requiere equipos de mucha precisión.
Empacado
Una oblea de silicio puede contener cientos de circuitos o "chips" terminados. Cada chip puede tener muchos transistores en un área pequeña, de aproximadamente 1 a 10 milímetros por lado. Después de probar que los circuitos funcionan bien, se separan unos de otros (cortándolos). Los chips que funcionan ("pastillas") se montan en pequeñas cajas o "cápsulas".
Generalmente, se usan cables muy finos de oro para conectar las patitas de la cápsula con los caminos de metal en el chip. Finalmente, la cápsula se sella con plástico o resina para proteger el circuito del aire y la humedad.
Componentes electrónicos comunes en los circuitos
MOSFET
Los transistores MOSFET son muy importantes. Los de tipo "canal n" son preferidos porque los electrones se mueven más rápido en ellos que en los de tipo "canal p". Esto significa que pueden manejar más corriente y tienen menos resistencia. Su diseño se enfoca en el voltaje de umbral y el tamaño. Los circuitos con MOSFET son muy flexibles en su diseño.
Resistencias
Las resistencias son componentes que controlan el flujo de electricidad. En los circuitos integrados, se pueden crear resistencias usando diferentes regiones del silicio con impurezas. Las regiones con diferentes impurezas tienen distinta resistencia. El valor de una resistencia se puede ajustar cambiando su longitud y ancho. Estas resistencias están aisladas por uniones especiales, pero a veces pueden tener problemas con la capacitancia a altas frecuencias o con cambios de valor si el voltaje varía. Para valores más exactos, se pueden fabricar con una capa de polisilicio.
Capacitores
Los capacitores (o condensadores) almacenan energía eléctrica. Hay dos tipos principales en los procesos de fabricación de circuitos: los capacitores MOS y los de interpoli. Los capacitores MOS dependen del área de la compuerta de un MOSFET y pueden tener problemas con la dependencia del voltaje. Los capacitores interpoli son casi ideales, pero requieren una capa adicional de polisilicio. Para ambos tipos, los valores de capacitancia se pueden controlar con mucha precisión, lo cual es muy útil para diseñar circuitos analógicos.
Transistor pnp lateral
Este tipo de transistor se puede usar en el diseño de circuitos. El "pozo n" actúa como una base, y las difusiones "p+" como emisor y colector. El espacio entre las difusiones determina el ancho de la base. Su rendimiento no es tan bueno como el de otros transistores porque su diseño no está optimizado para todas las uniones.
Resistores de base p y de base estrecha
La difusión en la base p se puede usar para crear un tipo de resistencia. Como la región de la base tiene un nivel de impurezas relativamente bajo y una profundidad moderada, es buena para resistencias de valor medio. Si se necesita una resistencia de valor grande, se puede usar la de base estrecha. Aunque estas últimas pueden tener problemas con la tolerancia y la temperatura, suelen ser bastante consistentes.
Otros procesos en la fabricación de circuitos integrados
- Crecimiento epitaxial: Crear capas de material con una estructura cristalina muy ordenada.
- Oxidación en semiconductores: Formar capas de óxido sobre el semiconductor.
- Implantación iónica: Introducir átomos de impurezas en el material.
- Nanotecnología: Trabajar con materiales a una escala muy, muy pequeña (nanómetros).
- Mecánica: Procesos que involucran el movimiento y la fuerza.
Véase también
En inglés: 